CN109293064A - 一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体式流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，该装置包括：反应区，其为柱状；沉淀区，其设于所述反应区的外部，所述沉淀区的底部开口与所述反应区连通，所述沉淀区的底部为倾斜设计；导流筒，其设于所述反应区内的下部，所述反应区与所述导流筒的中心轴线重合，搅拌桨叶设于所述导流筒内部，所述搅拌桨叶通过连杆与搅拌器连接。本发明的有益效果为：(1)介质流化反应区和固液分离沉淀区一体化设计，既节省空间同时也降低生产成本；(2)介质流化反应区能够高效流化高浓度、大比重的铁粉和铁氧体介质；(3)沉淀区能够高效截流铁氧体媒介，使其能够重复利用，同时确保出水悬浮物浓度保持较低水平，保证处理水水质。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体而言，涉及一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器。
背景技术
(1)重金属污染废水问题
燃煤电厂湿法烟气脱硫废水中，往往包含众多种类和形态不一的重金属污染物，而废水的高含盐背景又极大地增加了处理难度。又如，电镀车间废水的重金属浓度(例如镍、铬、锌)经常超过1000毫克/升，而最新的标准(电镀废水表三标准)则要求镍<0.1mg/L，这就要求废水处理系统要达到99.99％以上的去除率。传统化学中和絮凝沉淀法很难达到这样高的去除率，处理出水无法满足新的排放标准。以膜法处理为代表的新技术，用于处理重金属污染废水，则面临着成本高昂的问题，而且，膜分离过程仅仅是把重金属浓缩在弃液中，如何处理弃液又是个大问题。如何有效治理这类疑难工业废水，满足日益严格的重金属废水排放标准，需要开发出新型高效而又经济可行的新技术支撑。
(2)重金属废水处理技术背景
传统中和絮凝沉淀法，通过加石灰乳、铁盐、铝盐、有机硫等传统水处理化学药剂，可以去除众多重金属，然而这类处理过程涉及的化学机理单一，主要是以吸附沉淀为主要机理，有相当的局限性，特别是对有些重金属，处理出水能达到的最低浓度往往在1毫克/升以上，无法满足一些新排放标准。此外，某些特种处理药剂，比如有机硫等，使用成本高昂。
电化学法，例如电渗析(Electrodialysis)及电解絮凝(Electrofloculation)等，也可用于处理重金属废水。然而，尽管有些独特的优势，电化学法仍然面临一些经济技术障碍，特别是其处理出水往往无法满足最新的严格排放标准问题。
零价铁也可于重金属废水的处理，主要是利用铁粉的化学还原性，还原一些以氧化态形式存在的重金属，比如铬酸根、硒酸根等，转化成易于去除的低价态形式。零价铁作为反应介质，与废水接触后，其表面迅速锈蚀，生成稳定的铁锈覆盖层，迅速钝化失活，导致铁粉的大量消耗和浪费。此外，与中和吸附沉淀等过程相比，化学还原过程一般较慢，往往需要较长的反应时间。这些都极大的降低了传统零价铁技术处理重金属废水的经济技术可行性。
铁氧化物(比如磁铁矿)用于去除废水的各类重金属(比如砷)已做了大量的实验室研究，结果在文献中也广泛报道。然而，工业中的实际应用还是有限，特别是各类疑难废水的处理，单纯的铁氧化物表面吸附对很多重金属离子并不是特别有效。
总而言之，传统的化学絮凝沉淀法，包括较新的零价铁技术，以及各类电化学法用于处理重金属污染工业废水普遍无法满足日益严格的各类相关的国家及地方环保排放达标标准。工业界迫切需要一种操作简单、成本合理、而又能够高效去除重金属污染物，达成污染物稳定化减量化的废水处理技术。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器，操作简单、成本合理、且又能高效去除重金属污染物。
本发明提供了一种一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器，该装置包括：
反应区，其为柱状；
沉淀区，其设于所述反应区的外部，所述沉淀区的底部开口与所述反应区连通，所述沉淀区的底部为倾斜设计；
导流筒，其设于所述反应区内的下部，所述反应区与所述导流筒的中心轴线重合，搅拌桨叶设于所述导流筒内部，所述搅拌桨叶通过连杆与搅拌器连接。
作为本发明的进一步改进，所述反应区为圆柱状时，所述沉淀区环绕在所述反应区的外部周向布置。
作为本发明的进一步改进，所述反应区为四棱柱状时，所述沉淀区环绕在所述反应区的外部周向布置，或所述沉淀区沿所述反应器的边沿相对布置。
作为本发明的进一步改进，所述沉淀区底部的倾斜角不小于45°。
作为本发明的进一步改进，所述沉淀区底部的开口面积为所述沉淀区顶部液面面积的15～25％；所述沉淀区底部的开口到所述沉淀区顶部液面的垂直高度不低于1m。
作为本发明的进一步改进，还包括加料口，其设于所述反应区的顶部。
作为本发明的进一步改进，还包括出水堰，其沿所述沉淀区顶部的边沿设置。
作为本发明的进一步改进，还包括曝气装置，其设于所述反应区内的上部。
作为本发明的进一步改进，还包括进水管，其与所述反应区上部连通。
作为本发明的进一步改进，还包括出水管，其与所述出水堰连通。
本发明的有益效果为：本发明所述一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器，(1)介质流化反应区和固液分离沉淀区一体化设计，既节省空间同时也降低生产成本；(2)介质流化反应区能够高效流化高浓度、大比重的铁粉和铁氧微晶体；(3)沉淀区能够高效截流铁氧微晶体媒介，使其能够重复利用，同时确保出水悬浮物浓度保持较低水平，保证处理水水质。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器剖面图；
图2为本发明实施例所述的一种方形、沉淀池周边环绕设置的一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器的俯视图；
图3、为本发明实施例所述的一种方形、沉淀池边沿设置的一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器的俯视图；
图4为本发明实施例所述的一种圆形、沉淀池周边环绕设置的一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器的俯视图。
图中，
1、进水管；2、沉淀区；3、反应区；4、搅拌桨叶；5、导流筒；6、出水管；7、搅拌器；8、加料口；9、出水堰。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1-4所示，本发明实施例所述的是一种一体式流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器，该装置包括：
反应区3，其为柱状；
沉淀区2，其设于反应区3的外部，沉淀区2的底部开口与反应区3连通，沉淀区2的底部为倾斜设计；
导流筒5，其设于反应区3内的下部，反应区3与导流筒5的中心轴线重合，搅拌桨叶4设于导流筒5内部，搅拌桨叶4通过连杆与搅拌器7连接。
本发明所述流化床铁氧微晶体发生器及水处理反应器采用了沉淀区2和反应区3一体化设计。将反应所需药剂(铁粉、二价铁、三价铁和氧化剂等) 加入反应区3中，通过特定的配方和反应条件控制，反应区3内合成多功能活性铁氧微晶体媒介。活性铁氧微晶体通过表面吸附、离子交换、晶格替代、化学还原等复合作用机理，可用于转化和去除废水中各种形式的重金属污染物，并予以吸收固定在铁氧微晶体结构内，在沉淀区2生成的沉淀与液体分离，最终将含有重金属的沉淀物排出。沉淀区2提供一个稳定的静态环境，大比重的铁氧微晶体颗粒脱离缓慢上流的水体分离沉淀，在沉淀区2底部形成一层浓缩浆料层，处理出水通过介质间的孔隙上流，介质颗粒则被截留在底部，浆料浓度和密度增大，并在联通开口处与反应区3内的浆料通过湍流互动交换，返回反应区3内。导流筒5的作用为：组织导引反应区3内的液体有序流动，隔离下向流与上向流；导流筒5形成向下高速射流，防止铁氧微晶体沉积池底；压制反应区3尺度的水平涡流形成，避免大量裹挟空气进入液相，改变铁氧微晶体生产化学过程；提高搅拌效率，降低搅拌动力能量消耗；反应区3高度设计更灵活，不受搅拌桨叶4布置位置和转轴长度的限制。搅拌器7则为搅拌桨叶4提供驱动。反应区3能够高效流化高浓度、大比重的铁粉和铁氧微晶体，并且能过控制内部介质与空气的接触，从而达到控制反应速率的效果，沉淀区2能够高效截流铁氧微晶体媒介，确保出水悬浮物浓度保持较低水平。
导流筒5的直径设计：通常考虑为反应区3直径或宽度的1/3-1/2；导流筒5筒体距离反应区3底部为筒体直径的1/2-1；导流筒5筒体顶部距正常工作液面为筒体直径的1.0-2.0倍。导流筒5可通过多道竖向隔板与反应区3焊接固定，竖向隔板可起到竖向导流的作用，有助于避免平面旋流的生成。导流筒5下面的反应区3底部位置可设一个导流锥体，反应区3底部边角位置应设置倒角结构，减少铁氧微晶体沉积边角的可能。
搅拌桨叶4的选择：应优先考虑搅拌效率高，强力轴向推流的桨叶形态。桨叶尺寸(直径)应该与导流筒5内径匹配。
搅拌桨叶4一般考虑有电机加减速装置驱动，要考虑转速在一定范围内可调。大口径桨叶(1.5米以上)转速考虑30-100rpm；中等直径桨叶(0.5-1.5 米)转速考虑60-200rpm；小型系统，桨叶直径小于0.5米，考虑100-600rpm；
搅拌器7运行时，导流筒5的轴向向下流速应不小于2米/秒，导流筒5 外区域平均上升流速不小于0.3米/秒。
搅拌功率：用单位容积搅拌功率来确定配置搅拌电机功率。总体而言，可参考通用化工反应器设计的搅拌功率计算，考虑到铁氧微晶体浆料粘稠度低，且反应区3搅拌强度中等，一般可以选用中等搅拌强度阈值范围内的低值单位功率配置。同时还要参考具体系统运行时浆料工作浓度，以及浆料组分的特性，比如20g/L浓度工作浆料所需的就比200g/L浓度需要配置更高的搅拌功率；又比如，浆料内含较粗颗粒的零价铁粉(100目铁粉)时，就比用 325目的细铁粉需要更高的搅拌功率。
以1m直径的导流筒5计算，筒内流速2.5m/s，过流流量为1.969m3/hr，若中心管以普通管道过流能量消耗来估算，主要的能量损耗发生在上端进口，和下端出口上，能耗系数假设各为0.5，则总的损耗系数为1.0，每秒导流筒5 过流的水流动能k＝1/2*m*V2＝0.5x1969x2.5*2.5(J/S)＝6.2kJ，相应的能量消耗为6.1kw,配置8千瓦电机。
以0.4m的导流筒计算，桶内流速也以2.5m/s,能量消耗为0.981KJ，相应的电机配置考虑1.2-1.5千瓦。
从以上计算可以推断，加大反应区3深度有利于降低单位处理能耗。
进一步的，反应区3为圆柱状时，沉淀区2环绕在反应区3的外部周向布置。
进一步的，反应区3为四棱柱状时，沉淀区2环绕在反应区3的外部周向布置，或沉淀区2沿反应器的边沿相对布置。
反应区3可以是圆柱状或棱柱状，当反应区3为圆柱状时，沉淀区2可以设计成周边环绕构型；当反应区3为棱柱状时，沉淀区2可以设计成周边环绕构型或局部边置构型。从结构和流态考虑，圆形构造有优势，在同等条件下，优先考虑圆形构造。用于废水处理时，因水质不同，反应区3的水力停留时间要求也会有较大的不同，比如从1小时到10小时不等。相比较而言，固液分离所需的时间相对不变，比如0.5小时到2小时不等，因此沉淀区2相对于反应区3的大小会有较大的不同，沉淀区2的布置可以根据具体情况灵活决定。比如，反应时间要求相对短，与沉淀区2水力停留时间接近时，沉淀区2可以设计成周边环绕构型。又比如，反应时间要求长，沉淀区2水力停留时间相对短时，沉淀区2可以设计成局部边置构型。
进一步的，沉淀区2底部的倾斜角不小于45°。通过研究和实际运行观察，沉淀区2池底倾斜角度以不小于45度为好(斜率1.0)，条件允许时，应考虑倾斜角57度(对应斜率为1.5)。倾角过小，浆料回流不畅，容易沉积池底，影响系统运行效率。
进一步的，沉淀区2底部的开口面积为沉淀区2顶部液面面积的15～25％；沉淀区2底部的开口到沉淀区2顶部液面的垂直高度不低于1m。为避免反应区3内快速上升的水流直接通过开口冲入沉淀区2底部形成强烈扰动，底部隔板接近开口处向沉淀区2做适当引伸折角，形成一个扰流缓冲区，在该区内形成适度的反向涡流，协助沉淀区2底部的浓缩浆料介质回流到反应区3 内。同时，该缓冲区有利于避免在曝气状态下，气泡侵入沉淀区2内，干扰固液分离。
沉淀区2的大小由水力停留时间这一设计参数决定。水力停留时间一般考虑在0.5-3.0小时范围内，具体决定时要考虑水处理系统的实际来水流量波动导致的冲击负荷情况，系统运行的浆料介质浓度和pH酸碱度，处理水质特性等。水质组分，例如含盐浓度、酸碱度、表面活性剂等都可能改变铁氧微晶体颗粒的表面电性，影响颗粒间的聚合，进而影响浆料的沉淀性能。在通常条件下，由于铁氧微晶体颗粒的密度高达5.0g/cm3以上，并具有较强的磁性，铁氧微晶体颗粒在静态条件下，相互吸引，逐渐团聚，形成较大的团聚颗粒，极大的提高了浆料介质的沉淀性能，因此可以在较短的水力停留时间内取得良好的固液分离效果，保证出水中的颗粒物浓度保持较低水平。
进一步的，还包括加料口8，其设于反应区3的顶部。
进一步的，还包括出水堰9，其沿沉淀区2顶部的边沿设置。
进一步的，还包括出水管6，其与出水堰9连通。
处理废水由沉淀区2顶部溢流至出水堰9中，并最终通过出水管6予以排出。
进一步的，还包括曝气装置，其设于反应区3内的上部。
多功能活性铁氧微晶体浆料生成的化学反应需要一定强度的曝气过程。另外，处理某些废水时，低强度曝气可能有助于保持铁氧微晶体浆料的活性。设计曝气强度为每立方米反应容积供气量1m3/hr.曝气可在适当的深度布置曝气装置完成，比如曝气盘，曝气管等。曝气装置的设置应避免造成气泡进入沉淀区2中干扰固液分离。
进一步的，还包括进水管1，其与反应区3上部连通。待处理的废水由进水管1中输送至反应区3中与铁氧微晶体进行反应。
本发明涉及的反应机理为：利用铁粉、混合二价和三价铁盐药剂材料，选用合适的氧化剂，通过特定的配方和反应条件控制，在特别设计的反应器内合成多功能活性铁氧微晶体媒介。合成的铁氧微晶体不同于自然界生成的常见的铁氧化物矿物，其主体是一种非稳定的易于转化的铁氧化物混合物，主要的有效组分类似某些绿锈结构和非标态的铁氧化物，无固定的组分和结构组成，但具有很高的化学活性。铁氧微晶体具备有大容量的阴离子交换能力和阳离子晶格替代能力，同时具备一定的化学还原能力，以及铁氧化物内在的表面亲和吸附力。活性铁氧微晶体通过表面吸附、离子交换、晶格替代、化学还原等复合作用机理，可用于转化和去除废水中各种形式的重金属污染物，并予以吸收固定在铁氧微晶体结构内，以达到稳定化、减量化、无害化的处理目的。重金属去除过程中主要涉及的化学机理包括：
阴离子交换去除重金属氧基阴离子，如硒酸根(SeO4 2-)，钒酸根(VO4 3-)，铬酸根(CrO4 2-)等；
化学还原法去除氧化态重金属离子，如铜(Cu2+)、银(Ag+)、镍(Ni2+) 离子；
铁氧化物表面直接吸附重金属离子，如砷(AsO4 3-)等；
晶格替代法将重金属离子纳入晶格结构，如锰(Mn2+)，镍(Ni2+)，锌(Zn2+) 等。
以每小时处理2.5m3小型铁氧微晶体水处理装置为例：
沉淀区有效面积：1.25m2；
沉淀区有效容积：1.25m3；
底部开口槽的通过面积：0.25m2
铁氧微晶体浆料浓度为：70克/升；
沉淀区水流上升速度：2.0m/小时
开口区的水流过流速度为：10.0m/小时
铁氧微晶体单个晶体颗粒直径:0.05um，自然沉淀速率为<0.1m/小时，
实际观察：沉淀实验观察到浆料的澄清界面的下降速率为1.2cm/min，远高于理论上单个铁氧微晶体晶体的沉淀速率；实际上因为磁性作用，铁氧微晶体在澄清过程中逐步聚合，形成大型团簇，显微镜下观察，团簇颗粒普遍在3～5微米，极大的加快了沉淀速率。
沉淀区运行状态的观测：正常工作状态下，反应区液面比澄清区液面要低。反应器内浆料浓度大，介质的比重高，比如100g/L介质浆料的液体，平均密度约为1.08kg/L；在沉淀区内，上清液部分为水，密度为1.0kg/L,下部沉淀的介质层包含介质，密度变大，综合起来，沉淀池的平均密度要小，两边液压要平衡，结果就是沉淀池的液面要高出反应区液面。在相同条件下，沉淀区的沉淀效果越好，两边的液面差就越大。当流量过大，水力停留时间不足时，沉淀区无法有效截留浆料，澄清深度逐步减小，直至酱料溢流，沉淀区液体平均密度增大，两边的液位差也就相应减小。因此，观察液位差变化，可以初步判断沉淀区的工作状态。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种一体式流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，包括：
反应区(3)，其为柱状；
沉淀区(2)，其设于所述反应区(3)的外部，所述沉淀区(2)的底部开口与所述反应区(3)连通，所述沉淀区(2)的底部为倾斜设计；
导流筒(5)，其设于所述反应区(3)内的下部，所述反应区(3)与所述导流筒(5)的中心轴线重合，搅拌桨叶(4)设于所述导流筒(5)内部，所述搅拌桨叶(4)通过连杆与搅拌器(7)连接。
2.根据权利要求1所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，所述反应区(3)为圆柱状时，所述沉淀区(2)环绕在所述反应区(3)的外部周向布置。
3.根据权利要求1所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，所述反应区(3)为四棱柱状时，所述沉淀区(2)环绕在所述反应区(3)的外部周向布置，或所述沉淀区(2)沿所述反应器的边沿相对布置。
4.根据权利要求1所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，所述沉淀区(2)底部的倾斜角不小于45°。
5.根据权利要求1所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，所述沉淀区(2)底部的开口面积为所述沉淀区(2)顶部液面面积的15～25％；所述沉淀区(2)底部的开口到所述沉淀区(2)顶部液面的垂直高度不低于1m。
6.根据权利要求1所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，还包括加料口(8)，其设于所述反应区(3)的顶部。
7.根据权利要求1所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，还包括出水堰(9)，其沿所述沉淀区(2)顶部的边沿设置。
8.根据权利要求1所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，还包括曝气装置，其设于所述反应区(3)内的上部。
9.根据权利要求1所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，还包括进水管(1)，其与所述反应区(3)上部连通。
10.根据权利要求7所述的流化床铁氧化体发生器及水处理反应器，其特征在于，还包括出水管(6)，其与所述出水堰(9)连通。
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